Le XXIᵉ siècle présente une vaste gamme de défis scientifiques et technologiques, et parmi
eux, aucun n’est aussi urgent ni d’une portée aussi universelle que la nécessité de passer des
systèmes énergétiques fondés sur les combustibles fossiles à des alternatives durables,
efficaces et respectueuses de l’environnement. Depuis plus d’un siècle, le charbon, le pétrole
et le gaz naturel constituent l’épine dorsale de l’industrialisation et du développement
économique mondiaux. Les conséquences de cette dépendance, aujourd’hui manifestées par le
changement climatique, la pollution atmosphérique et la dégradation des écosystèmes, sont
devenues indéniables.
La recherche d’alternatives pour une production d’électricité plus verte a trouvé un appui
solide dans l’énergie solaire et éolienne. Bien que ces technologies aient connu une large
adoption au cours des deux dernières décennies, elles demeurent intrinsèquement
intermittentes, la production d’électricité étant limitée aux heures d’ensoleillement ou aux
périodes de vent. Pour pallier cette limitation, il est essentiel de développer des systèmes de
stockage, tels que les batteries, capables d’accumuler l’énergie excédentaire (par exemple,
durant la journée) et de la restituer la nuit.
L’objectif de cette thèse était d’étudier différents matériaux et leurs propriétés
électrochimiques et photochimiques en vue du développement d’une batterie photo-
rechargeable, nécessitant moins d’énergie pour se recharger à la lumière du soleil que dans
l’obscurité. La technologie des batteries lithium-ion a été spécifiquement choisie en raison de
sa haute densité énergétique. L’association de cette technologie avec un matériau capable
d’absorber la lumière solaire, de la convertir en énergie chimique et de la stocker dans la
batterie a été explorée à l’aide de divers semiconducteurs et plus particulièrement l’oxyde de
zinc (ZnO), le dioxyde de titane (TiO 2 ) et le nitrure de carbone graphitique (g-C 3 N 4 ).
Les semiconducteurs ont été caractérisés afin de déterminer plusieurs paramètres
photoélectrochimiques d’intérêt, tels que la valeur du gap énergétique et la position des
bandes de valence et de conduction. L’utilisation de ces matériaux dans les conditions de
fonctionnement standard d’une batterie lithium-ion a mis en évidence certaines limites de
cette approche. Dans ce contexte, la stabilité de l’électrolyte, composant essentiel de la
batterie, s’est avérée problématique.
Afin d’éviter la dégradation de l’électrolyte, la surface des semiconducteurs a été
fonctionnalisée par un film polymérique, obtenu par électropolymérisation de complexes de
coordination à base de fer. Le rôle de ces films polymériques est d’agir comme tampon rédox
entre la surface du semiconducteur et l’électrolyte, empêchant un contact direct entre les deux
conduisant à la dégradationde l’électrolyte. Diverses techniques de caractérisation ont mis en
évidence les différences entre les matériaux, tout en confirmant une polymérisation maîtrisée.
Enfin, les semiconducteurs, avec ou sans films polymériques protecteurs, ont été intégrés dans
des batteries lithium-ion afin de démontrer la faisabilité du système dans l’obscurité et sous
illumination, en exploitant les propriétés photoactives des semi-conducteurs.